汽车结构第03章配气机构
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按曲轴和凸轮轴的传动方式，可
分为齿轮传动式、链传动式和带 传动式。
按每气缸气门数目，有二气门式、
四气门和五气门等多气门式。
哈尔滨工业大学（威海）
第4页
气门的布置形式
1.气门顶置式配气机构
进气门和排气门都倒
挂在气缸上。现代汽车发
动机均采用气门顶置式配
气机构。
2.气门侧置式配气机构
气门旋转机构的实例见图 3-15。
2020/1/1
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第29页
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有的发动机采用3-15b所示的强制旋转机构，使气门每开一次便转 过一定角度。
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第30页
2020/1/1
气门传动组
气门传动组包括凸轮轴、定时齿轮、挺柱，推杆、摇臂、摇臂轴等。 气门传动组的作用是使进、排气门能按配气相位规定的时刻开闭，且
气门侧置式配气机构
的进气门和排气门都装置
在气缸体的一侧，目前已
被淘汰。
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第5页
气门顶置式配气机构
在图示的气门顶置式配气机 构中，气门组包括气门3，气门导 管2、气门主、副弹簧4和5、气门 弹簧座6、锁片7等；气门传动组 则由摇臂轴9、摇臂10、推杆13、 挺柱14、凸轮轴15和定时齿轮组 成。
头部 杆部
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第24页
2020/1/1
气门头部的结构形式
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第25页
气门组
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第26页
2020/1/1
气门座
气门座可在气缸盖上直接镗出。它与气门头部共同对气缸起密封作 用，并接受气门传来的热量。气门座在高温下工作，磨损严重，故有不 少发动机的气门座用较好的材料（合金铸铁、奥氏体钢等）单独制作， 然后镶嵌到气缸盖上。
第12页
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第13页
带传动
近年来，在高速汽车发动机上 还广泛的采用传动带来代替传动链， 图3-7所示为一汽--大众奥迪100型 轿车用的齿形带传动。这种齿形带 用氯丁橡胶制成，中间夹有玻璃纤 维和尼龙织物，以增加强度。采用 齿形带传动，对于减少噪声、减少 结构质量和降低成本都有很大好处。
有的发动机采用液力挺柱，挺柱的长度能自动变化，随时补偿气门 的热膨胀量，故不需要预留气门间隙。一汽488Q发动机上设有气门间隙 调节器，在安装时要保证摇臂凸耳与气门弹簧座之间的间隙大于1.25mm. 气门间隙的大小一般有发动机制造厂根据试验确定。一般在冷态时，进 气门的间隙为0.25---0.3mm，排气门的间隙为0.3---0.35mm。如果间隙 过小，发动机在热态下可能发生漏气，导致功率下降甚至气门烧坏。如 果气门间隙过大，则使传动零件之间以及气门和气门座之间产生撞击响 声，而且加速磨损，同时也会使得气门开启的持续时间减少，气缸的充 气及排气情况变坏。
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第2页
2020/1/1
充量系数
•
所谓充量系数就是在进气过程中，实际进入气缸内的新鲜空气
或可燃混合气的质量与在进气状态下充满气缸工作容积的新鲜空气 或可燃混合气的质量之比，即
c
M Mo
式中，M 为进气过程中，实际充入气缸的新气的质量；M o 为
进气状态下充满气缸工作容积的新气质量。
更进一步
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第20页
气门重叠
2020/1/1
重要
由于进气门在上止点前即开启，而排气门在上止点后才关闭，这 就出现了一段时间内排气门和进气门同时开启的现象，这种现象称为气 门重叠，重叠时期的曲轴转角称为气门重叠角。
由于新鲜气流和废气流的流动惯性都比较大，在短时间内是不会 改变流向的，因此只要气门重叠角选择适当，就不会有废气倒流入进气 管和新鲜气体随同废气排除的可能性。这对换气是有利的，但应注意， 如气门重叠角过大，当汽油机小负荷运转、进气管内压力很低时，就可 能出现废气倒流，使进气量减少。
哈尔滨工业大学（威海）
第27页
2020/1/1
气门弹簧
气门弹簧的功用是克服在气门关闭过程中气门及传动件的惯性力， 防止各传动件之间因惯性力的作用而产生间隙，保证气门及时落座 并紧紧贴合，防止气门发生跳动，破坏其密封性。为此，气门弹簧 应有足够的刚度和安装预紧力。
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第28页
气门旋转机构
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第9页
上置双凸轮轴布置
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哈尔滨工业大学（威海）
第10页
凸轮轴的传动方式
齿轮传动 链传动 带传动
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第11页
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齿轮传动
凸轮轴下置、中置的配气机构大多采用圆柱形定时齿轮传动。一 般曲轴与凸轮轴之间的传动只需一对定时齿轮，必要时可加装中间齿 轮。为了啮合平稳、减小噪声，定时齿轮多用斜齿轮。在中、小功率 发动机上，曲轴定时齿轮用钢来制造，而凸轮轴定时齿轮则用铸铁或 夹布胶木制造，以减小噪声。
启时间比较适当，使吸气和排气都尽可能充分。
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第3页
2020/1/1
第一节 气门式配气结构的布置及传动
气门式配气机构由气门组 和气门传动组零件组成。配气机 构可以从不同角度分类：
按气门的布置形式，主要有气门
顶置式和气门侧置式；
按凸轮轴的布置位置，可分为凸
轮轴下置式，凸轮轴中置式和凸 轮轴上置式；
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第21页
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配气机构的零件和组件
气门组 1. 气门 2. 气门导管 3. 气门座 4. 气门弹簧
气门传动组 1. 凸轮轴 2. 挺柱 3. 推杆 4. 摇臂
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气门组
气门组包括气门、气门导管、气门座及气门弹簧等零件。有的进气门 还设有气门旋转机构。
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哈尔滨工业大学（威海）
第14页
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每缸气门数及其排列方式
一般发动机都采用每缸两个气门，即一个进气门和一个排气门的结构。
在很多新型汽车发动机上多采用每缸4气门、甚至5气门的结构，即2~3
个进气门和2个排气门。
采用多气门发动
机的好处是什么
呢？
答：为了进一步改善气缸的换气，在可能的情况下，应尽量加大气门的直 径，特别是进气门的直径。但是，由于燃烧室尺寸的限制，气门直径 最大不能超过气缸直径的一半。当气缸直径较大，活塞平均速度较高 时，每缸一进一排的气门结构就不能保证良好的换气质量。采用多气 门的结构形式后，进气门总的通过面积较大，充量系数较高，排气门 的直径可适当减小，使其工作温度适当降低，提高了工作可靠性。此 外，采用多气门后还可适当减小气门升程，改善配气机构的的动力性， 多气门的汽油机还有利于改善HC和CO的排放性能。
每缸四个气门时的排列方式
当每缸采用四个气门时，气门排列的方案有两种： ①同名气门排成两列，由一个为凸轮通过T形驱动杆同时驱动，并且所
有气门都可以由一根凸轮轴驱动。两同名气门在气道中的位置不同， 可能会使二者的工作条件和工作效果不一致。 ②同名气门在同一列，则没有上述缺点，但一般用两根凸轮轴。
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保证有足够的开度。
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凸轮轴
凸轮轴（图3-16）上主要配置由各缸进、排气凸轮1，用以使气 门按一定的工作次序和配气相位及时开闭，并保证气门有足够的升程。 凸轮受到气门间歇性开启的周期性冲击载荷，因此对凸轮表面要求耐 磨，对凸轮要求有足够的韧性和刚度。
发动机工作时，凸轮轴的变形会影响配气相位，因此有的发动机 凸轮轴采用全支承以减小其变形，如图3-23a所示的发动机的凸轮轴 有五个轴颈2。但是，支承数多，加工工艺较复杂，所以一般发动机 的凸轮轴是每隔两个气缸设置一个轴颈1，如图3-24所示。为安装方 便，凸轮轴的各轴颈直径是做成从前向后依次减小的。
第23页
气门
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头部的工作温度很高，而且还要承受气体压力、气门弹簧以及 传动组零件惯性力的作用，其冷却和润滑条件又较差。因此，要求气门 必须具有足够的强度、刚度、耐热和耐磨能力。进气门的材料采用合金 钢（如铬钢或镍铬钢等），排气门则采用耐热合金钢（硅铬钢等）。为 了节省耐热合金钢，有的发动机排气门头部用耐热合金钢制造，而杆部 则用铬钢制造，然后将两者焊在一起。
气门组应保证气门能够实现气缸的密封，因此要求： ①气门头部与气门座贴合严密； ②气门导管对气门杆的上下运动有良好的导向； ③气门弹簧的两端面与气门杆的中心线相垂直，以保证气门头在气门座 上不偏斜； ④气门弹簧的弹力足以克服气门及其传动件的运动惯性力，使气门能及 时关闭，并保证气门紧压在气门座上。
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《汽车构造》电子教案
第三章 配气机构
2020/1/1
第三章 配气机构
概述 气门式配气机构的布置及传动 配气相位 配气机构的零件和组件
配气机构的功用是按照发动机每一气缸所进行的工作循环和发 火次序的要求，定时开启和关闭进、排气门，使新鲜可燃混合气 （汽油机）或空气（柴油机）得以及时进入气缸，废气得以及时从 气缸排出。新鲜空气或可燃混合气被吸进气缸越多，则发动机可能 发出的功率越大。新鲜空气或可燃混合气充满气缸的程度，用充量 系数来表示。
充量系数越高，表明进入气缸内的新鲜空气或可燃混合气越多，
可燃混合气燃烧时所放出的热量越大，所以发动机发出的功率越大。充
量系数总是小于1，一般为0.80~0.90。影响发动机充量系数的因素很多，
故提高充量系数可以从多方面入手。就配气机构而言，主要是要求其结
构有利于减小进气和排气的阻力，而且进、排气门的开启时刻和持续开
第16页
2020/1/1
哈尔滨工业大学（威海）
第17页
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气门间隙
发动机工作时，气门将因温度的升高而膨胀。如果气门及其传动件 之间在冷却时无间隙或间隙过小，则在热态下，气门及其传动件的受热 膨胀势必引起气门关闭不严，造成发动机在压缩行程和作功行程中的漏 气，从而使功率下降，严重时甚至不易起动。为了消除这种现象，通常 在发动机冷态装配时，在气门与其传动机构中留有一定的间隙，以补偿 气门受热后的膨胀量。这一间隙称为气门间隙。
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Biblioteka Baidu
第18页
配气相位
配气相位就是进、排气门的实 际开闭时刻，通常用相对与上、下止 点曲拐位置的曲轴转角的环形图来表 示。这种图形称为配气相位图。
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（续）
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理论上四冲程发动机的进气门当曲拐处在上止点时开启，在曲拐 转到下止点时关闭；排气门则当曲拐在下止点时开启，在上止点时关 闭。进气时间和排气时间各占180°曲轴转角。但实际发动机的曲轴转 速都很高，活塞每一个行程都很短，这样短时间的进气或排气过程， 往往会使发动机充气不足或排气不净，从而使发动机的的功率下降。 因此，现代发动机都采用延长进、排气时间的方法，即气门的开启和 关闭时刻并不正好是曲拐处在上止点和下止点的时刻，而是分别提前 和延迟一定的曲轴转角，以改善进、排气状况，从而提高发动机的动 力性。
链传动
链条与链轮的传动特别适用于凸轮轴上置的配气机构。为使链 条在工作是具有一定的张力而不致脱链，装有导链板14，上、下链 条张紧轮2、11等。为了使链条调整方便，有的发动机使用一根链条 传动。链传动的主要问题是其工作可靠性不如齿轮传动。其传动性 能在很大程度上取决于链条的制造质量。
哈尔滨工业大学（威海）
哈尔滨工业大学（威海）
第15页
2020/1/1
每缸两个气门时的排列方式
当每气缸用两个气门时，为使结构简化，大多数采用气门沿机 体纵向轴线排成一列的方式。这样，相邻两缸的同名各气门就有可 能合用一个气道，以使气道简化并得到较大的气道通过截面；另一 种是将进、排气门交替布置，每缸单独用一个气道，这样有助于气 缸盖冷却均匀。柴油机的进、排气道一般分置于机体的两侧，以免 排气对进气加热。老式汽油机的进、排气道通常置于机体的同一侧， 以便进气受到排气的预热。
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工作过程
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凸 轮 轴 下 置 和 中 置 的 配 气 机 构
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第7页
2020/1/1
凸轮轴上置式配气机构
哈尔滨工业大学（威海）
第8页
上置双凸轮轴布置
上置双凸轮轴布置适用于 多气门式发动机，特点是使用 两个凸轮轴分别驱动进气门和 排气门。双凸轮轴结构有利于 布置更多的气门，气门数多， 能提高发动机的进、排气效率， 可以进一步提高压缩比，提高 发动机的转速。这种双凸轮轴 多气门的配气机构，是高速现 代汽车发动机配气机构的主要 形式。图示为上置双凸轮轴直 接驱动5气门的配气机构。
分为齿轮传动式、链传动式和带 传动式。
按每气缸气门数目，有二气门式、
四气门和五气门等多气门式。
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气门的布置形式
1.气门顶置式配气机构
进气门和排气门都倒
挂在气缸上。现代汽车发
动机均采用气门顶置式配
气机构。
2.气门侧置式配气机构
气门旋转机构的实例见图 3-15。
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有的发动机采用3-15b所示的强制旋转机构，使气门每开一次便转 过一定角度。
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气门传动组
气门传动组包括凸轮轴、定时齿轮、挺柱，推杆、摇臂、摇臂轴等。 气门传动组的作用是使进、排气门能按配气相位规定的时刻开闭，且
气门侧置式配气机构
的进气门和排气门都装置
在气缸体的一侧，目前已
被淘汰。
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气门顶置式配气机构
在图示的气门顶置式配气机 构中，气门组包括气门3，气门导 管2、气门主、副弹簧4和5、气门 弹簧座6、锁片7等；气门传动组 则由摇臂轴9、摇臂10、推杆13、 挺柱14、凸轮轴15和定时齿轮组 成。
头部 杆部
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气门头部的结构形式
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气门组
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气门座
气门座可在气缸盖上直接镗出。它与气门头部共同对气缸起密封作 用，并接受气门传来的热量。气门座在高温下工作，磨损严重，故有不 少发动机的气门座用较好的材料（合金铸铁、奥氏体钢等）单独制作， 然后镶嵌到气缸盖上。
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带传动
近年来，在高速汽车发动机上 还广泛的采用传动带来代替传动链， 图3-7所示为一汽--大众奥迪100型 轿车用的齿形带传动。这种齿形带 用氯丁橡胶制成，中间夹有玻璃纤 维和尼龙织物，以增加强度。采用 齿形带传动，对于减少噪声、减少 结构质量和降低成本都有很大好处。
有的发动机采用液力挺柱，挺柱的长度能自动变化，随时补偿气门 的热膨胀量，故不需要预留气门间隙。一汽488Q发动机上设有气门间隙 调节器，在安装时要保证摇臂凸耳与气门弹簧座之间的间隙大于1.25mm. 气门间隙的大小一般有发动机制造厂根据试验确定。一般在冷态时，进 气门的间隙为0.25---0.3mm，排气门的间隙为0.3---0.35mm。如果间隙 过小，发动机在热态下可能发生漏气，导致功率下降甚至气门烧坏。如 果气门间隙过大，则使传动零件之间以及气门和气门座之间产生撞击响 声，而且加速磨损，同时也会使得气门开启的持续时间减少，气缸的充 气及排气情况变坏。
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充量系数
•
所谓充量系数就是在进气过程中，实际进入气缸内的新鲜空气
或可燃混合气的质量与在进气状态下充满气缸工作容积的新鲜空气 或可燃混合气的质量之比，即
c
M Mo
式中，M 为进气过程中，实际充入气缸的新气的质量；M o 为
进气状态下充满气缸工作容积的新气质量。
更进一步
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气门重叠
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重要
由于进气门在上止点前即开启，而排气门在上止点后才关闭，这 就出现了一段时间内排气门和进气门同时开启的现象，这种现象称为气 门重叠，重叠时期的曲轴转角称为气门重叠角。
由于新鲜气流和废气流的流动惯性都比较大，在短时间内是不会 改变流向的，因此只要气门重叠角选择适当，就不会有废气倒流入进气 管和新鲜气体随同废气排除的可能性。这对换气是有利的，但应注意， 如气门重叠角过大，当汽油机小负荷运转、进气管内压力很低时，就可 能出现废气倒流，使进气量减少。
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气门弹簧
气门弹簧的功用是克服在气门关闭过程中气门及传动件的惯性力， 防止各传动件之间因惯性力的作用而产生间隙，保证气门及时落座 并紧紧贴合，防止气门发生跳动，破坏其密封性。为此，气门弹簧 应有足够的刚度和安装预紧力。
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气门旋转机构
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上置双凸轮轴布置
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齿轮传动 链传动 带传动
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齿轮传动
凸轮轴下置、中置的配气机构大多采用圆柱形定时齿轮传动。一 般曲轴与凸轮轴之间的传动只需一对定时齿轮，必要时可加装中间齿 轮。为了啮合平稳、减小噪声，定时齿轮多用斜齿轮。在中、小功率 发动机上，曲轴定时齿轮用钢来制造，而凸轮轴定时齿轮则用铸铁或 夹布胶木制造，以减小噪声。
启时间比较适当，使吸气和排气都尽可能充分。
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第一节 气门式配气结构的布置及传动
气门式配气机构由气门组 和气门传动组零件组成。配气机 构可以从不同角度分类：
按气门的布置形式，主要有气门
顶置式和气门侧置式；
按凸轮轴的布置位置，可分为凸
轮轴下置式，凸轮轴中置式和凸 轮轴上置式；
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配气机构的零件和组件
气门组 1. 气门 2. 气门导管 3. 气门座 4. 气门弹簧
气门传动组 1. 凸轮轴 2. 挺柱 3. 推杆 4. 摇臂
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气门组包括气门、气门导管、气门座及气门弹簧等零件。有的进气门 还设有气门旋转机构。
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每缸气门数及其排列方式
一般发动机都采用每缸两个气门，即一个进气门和一个排气门的结构。
在很多新型汽车发动机上多采用每缸4气门、甚至5气门的结构，即2~3
个进气门和2个排气门。
采用多气门发动
机的好处是什么
呢？
答：为了进一步改善气缸的换气，在可能的情况下，应尽量加大气门的直 径，特别是进气门的直径。但是，由于燃烧室尺寸的限制，气门直径 最大不能超过气缸直径的一半。当气缸直径较大，活塞平均速度较高 时，每缸一进一排的气门结构就不能保证良好的换气质量。采用多气 门的结构形式后，进气门总的通过面积较大，充量系数较高，排气门 的直径可适当减小，使其工作温度适当降低，提高了工作可靠性。此 外，采用多气门后还可适当减小气门升程，改善配气机构的的动力性， 多气门的汽油机还有利于改善HC和CO的排放性能。
每缸四个气门时的排列方式
当每缸采用四个气门时，气门排列的方案有两种： ①同名气门排成两列，由一个为凸轮通过T形驱动杆同时驱动，并且所
有气门都可以由一根凸轮轴驱动。两同名气门在气道中的位置不同， 可能会使二者的工作条件和工作效果不一致。 ②同名气门在同一列，则没有上述缺点，但一般用两根凸轮轴。
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凸轮轴
凸轮轴（图3-16）上主要配置由各缸进、排气凸轮1，用以使气 门按一定的工作次序和配气相位及时开闭，并保证气门有足够的升程。 凸轮受到气门间歇性开启的周期性冲击载荷，因此对凸轮表面要求耐 磨，对凸轮要求有足够的韧性和刚度。
发动机工作时，凸轮轴的变形会影响配气相位，因此有的发动机 凸轮轴采用全支承以减小其变形，如图3-23a所示的发动机的凸轮轴 有五个轴颈2。但是，支承数多，加工工艺较复杂，所以一般发动机 的凸轮轴是每隔两个气缸设置一个轴颈1，如图3-24所示。为安装方 便，凸轮轴的各轴颈直径是做成从前向后依次减小的。
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气门
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头部的工作温度很高，而且还要承受气体压力、气门弹簧以及 传动组零件惯性力的作用，其冷却和润滑条件又较差。因此，要求气门 必须具有足够的强度、刚度、耐热和耐磨能力。进气门的材料采用合金 钢（如铬钢或镍铬钢等），排气门则采用耐热合金钢（硅铬钢等）。为 了节省耐热合金钢，有的发动机排气门头部用耐热合金钢制造，而杆部 则用铬钢制造，然后将两者焊在一起。
气门组应保证气门能够实现气缸的密封，因此要求： ①气门头部与气门座贴合严密； ②气门导管对气门杆的上下运动有良好的导向； ③气门弹簧的两端面与气门杆的中心线相垂直，以保证气门头在气门座 上不偏斜； ④气门弹簧的弹力足以克服气门及其传动件的运动惯性力，使气门能及 时关闭，并保证气门紧压在气门座上。
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第三章 配气机构
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第三章 配气机构
概述 气门式配气机构的布置及传动 配气相位 配气机构的零件和组件
配气机构的功用是按照发动机每一气缸所进行的工作循环和发 火次序的要求，定时开启和关闭进、排气门，使新鲜可燃混合气 （汽油机）或空气（柴油机）得以及时进入气缸，废气得以及时从 气缸排出。新鲜空气或可燃混合气被吸进气缸越多，则发动机可能 发出的功率越大。新鲜空气或可燃混合气充满气缸的程度，用充量 系数来表示。
充量系数越高，表明进入气缸内的新鲜空气或可燃混合气越多，
可燃混合气燃烧时所放出的热量越大，所以发动机发出的功率越大。充
量系数总是小于1，一般为0.80~0.90。影响发动机充量系数的因素很多，
故提高充量系数可以从多方面入手。就配气机构而言，主要是要求其结
构有利于减小进气和排气的阻力，而且进、排气门的开启时刻和持续开
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气门间隙
发动机工作时，气门将因温度的升高而膨胀。如果气门及其传动件 之间在冷却时无间隙或间隙过小，则在热态下，气门及其传动件的受热 膨胀势必引起气门关闭不严，造成发动机在压缩行程和作功行程中的漏 气，从而使功率下降，严重时甚至不易起动。为了消除这种现象，通常 在发动机冷态装配时，在气门与其传动机构中留有一定的间隙，以补偿 气门受热后的膨胀量。这一间隙称为气门间隙。
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配气相位
配气相位就是进、排气门的实 际开闭时刻，通常用相对与上、下止 点曲拐位置的曲轴转角的环形图来表 示。这种图形称为配气相位图。
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（续）
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理论上四冲程发动机的进气门当曲拐处在上止点时开启，在曲拐 转到下止点时关闭；排气门则当曲拐在下止点时开启，在上止点时关 闭。进气时间和排气时间各占180°曲轴转角。但实际发动机的曲轴转 速都很高，活塞每一个行程都很短，这样短时间的进气或排气过程， 往往会使发动机充气不足或排气不净，从而使发动机的的功率下降。 因此，现代发动机都采用延长进、排气时间的方法，即气门的开启和 关闭时刻并不正好是曲拐处在上止点和下止点的时刻，而是分别提前 和延迟一定的曲轴转角，以改善进、排气状况，从而提高发动机的动 力性。
链传动
链条与链轮的传动特别适用于凸轮轴上置的配气机构。为使链 条在工作是具有一定的张力而不致脱链，装有导链板14，上、下链 条张紧轮2、11等。为了使链条调整方便，有的发动机使用一根链条 传动。链传动的主要问题是其工作可靠性不如齿轮传动。其传动性 能在很大程度上取决于链条的制造质量。
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每缸两个气门时的排列方式
当每气缸用两个气门时，为使结构简化，大多数采用气门沿机 体纵向轴线排成一列的方式。这样，相邻两缸的同名各气门就有可 能合用一个气道，以使气道简化并得到较大的气道通过截面；另一 种是将进、排气门交替布置，每缸单独用一个气道，这样有助于气 缸盖冷却均匀。柴油机的进、排气道一般分置于机体的两侧，以免 排气对进气加热。老式汽油机的进、排气道通常置于机体的同一侧， 以便进气受到排气的预热。
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工作过程
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凸 轮 轴 下 置 和 中 置 的 配 气 机 构
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凸轮轴上置式配气机构
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上置双凸轮轴布置
上置双凸轮轴布置适用于 多气门式发动机，特点是使用 两个凸轮轴分别驱动进气门和 排气门。双凸轮轴结构有利于 布置更多的气门，气门数多， 能提高发动机的进、排气效率， 可以进一步提高压缩比，提高 发动机的转速。这种双凸轮轴 多气门的配气机构，是高速现 代汽车发动机配气机构的主要 形式。图示为上置双凸轮轴直 接驱动5气门的配气机构。